应用于工业和医疗设备中进行应变测量的传感器介绍

电子力传感器有各种形式和尺寸可供选择，从小型单个应变计到精密设计的称重传感器。了解操作原理和可能的错误来源有助于选择和安装，以确保从实验室实验和结构监控到批量称重，车辆安全，机器人和医疗设备等应用的准确测量和长期可靠性。

应变计：力测量的基本构建块

应变计可以是导线或蚀刻金属导体，布置成在受到拉伸或压缩时表现出可测量的电阻变化。当压力表牢固地固定在材料或结构上时，可以通过监测其电气响应来检测所施加的任何机械力的大小。

应变计可以用作分立元件，并且有多种形式可供选择适用于实验室用途，设计机械部件或监测结构以提高性能或安全性的类型。当被监测样品连接时，仪表的特性及其方向对测量精度有重要影响。

图1：通用蚀刻金属箔应变计。

现成的离散应变计可能包含金属箔，经过光刻蚀以产生合适的方向应变敏感图案并安装在聚酰亚胺或增强环氧树脂载体，如图1所示。金属合金的类型对仪表的性能有重要影响。康斯坦丁，有时称为A合金，具有高应变灵敏度和高电阻率等特性，可实现小尺寸的传感器。通过在宽的应变水平和温度范围内表现出相对低的电阻温度系数和稳定的机械性能，康铜通常是用于通用仪表的优选合金。康铜的另一个重要优点是可以加工合金以达到特定的自温补偿值（STC），以匹配各种测试材料的热膨胀系数。

CEA系列康铜Micro-Measurements（Vishay Precision Group的一个部门）的通用应变计包括各种型号，如CEA-06-125UN-350，其STC编号为06，标称电阻为350Ω。 CEA系列压力表的正常静态工作温度范围为-75°C至175°C，而对于需要更宽温度范围的应用，LWK系列镍铬或K合金压力表，如LWK-06-W250B- 350可在-195°C至260°C的温度范围内工作。

背衬材料和附件类型也是量规选择的重要标准。通常使用环氧粘合剂将聚酰亚胺或环氧树脂载体粘合到测试材料上。然而，在一些应用中，诸如高操作温度或不利环境或测试条件的因素阻止粘合剂的固化或计量器的夹紧可能驱使工程师使用可焊接的量规。微量测量LWK-06-W250B-350是一种可焊接的量规，预先粘接到薄金属载体上，并且已连接三根引线，可直接连接到仪表电缆。可以通过点焊将压力表粘合到清洁的金属测试样品上。

在为特定应用选择应变片时，测量尺寸是另一个需要考虑的重要参数。应变计自然倾向于整合在测量仪的整个长度上施加的力。由于工程师经常需要评估结构中零部件所经历的峰值应力，因此在峰值应力集中在一个小区域的区域应用过长的应变计会导致严重的不准确。另一方面，非常小的传感器可能不太稳定并且具有较低的最大允许伸长率。

定位和连接

CEA-06-125UN-350和LWK-06-W250B-350等应变计设计为对轴线作用力最敏感传感网格。因此，当传感器连接到测试样品时，传感器的方向是关键的，并且应该与待测量的力的方向对齐。如果方向未知，可以使用三向莲座型仪表。

由于施加力下的电阻变化非常小，桥式测量电路通常使用精度很高电压表，以确保准确的读数。图2所示的简单电桥电路容易受到仪表引线电阻引起的误差的影响。这些可以通过多种方式得到补偿。当第三根导线直接连接到电压表时，LWK系列测量仪的三线连接可将此误差减半，从而消除两根信号线之一的影响。另一种方法是将应变仪连接在桥的上臂和下臂中，具有相反的极性，以便感测相反方向的力。在这种布置中，两组引线电阻都被取消，同时系统的灵敏度加倍，从而可以实现更高的精度。

图2：基本用于监测应变仪输出的电桥电路。

用称重传感器设计

用于力测量的称重传感器是精确设计的系统，包含多个应变仪，配置为桥接，以确保准确和可重复的测量。应变计与精密设计的结构元件结合，该结构元件可以由钢，铝或铜合金制成。精确的设计和加工可在整个规定范围内确保可测量且可重复的偏转，其大小与施加的负载成比例。称重传感器可设计用于测量弯曲，剪切，压缩或扭转力，并可提供各种工作范围。

选择称重传感器时，工程师应注意指定的安全负载限制，并考虑操作负载范围。如果施加过大的过载，则称重传感器可能会永久损坏并在随后的使用中产生不可靠的结果。如果预期过载重量，则可能需要更高容量的称重传感器。同样，如果预计会出现明显的冲击或动态负载，则可能需要对称重传感器进行降容。

还需要特别注意设计合适的安装系统，同时牢记称重传感器是传感器，因此不应被视为坚实的支持。应注意避免横向力，偏心负载或振动等影响。如果系统中使用了多个称重传感器，可能需要特别小心以确保负载均匀分布，以避免各个称重传感器输出之间出现不必要的差异。

测量系统，从吨负载

称重传感器可用于各种应用。一个例子是安装在诸如卡车之类的车辆上的散装称重系统。 PM OnBoard，与Micro-Measurements一样，也是Vishay Precision Group的一个部门，生产一系列散装称重系统，包括安全导向系统和合法交易系统，允许按重量收取散装物料。装卸。用于重量为17至44吨的卡车的BulkWeigh 1300系统具有四个或更多个能够监控单个轴重的称重传感器，如图3所示，可以为驾驶员提供过载或不平衡负载的驾驶室内警告。/p>

图3：在工业车辆散装称重系统中使用称重传感器。

在极端的另一端， Measurement Specialties FC22系列等微型称重传感器有四种标准测量范围，从0-10到0-100 lbf，并有两个径向安装孔，间距为34 mm。这些称重传感器适用于机器人末端执行器等设备，以帮助控制机器人在各种过程中施加的力或监控任何拾取物体的重量。小型称重传感器（如FC22）也可用于医疗设备，如控制注射器输液泵的线性力，以控制液体的剂量或输送。

FC22系列称重传感器采用MEMS应变计制造，可通过压电效应检测应变。 Measurement Specialties使用其专有的Microfused ™技术，通过与高温玻璃熔合将应变计粘合到不锈钢基板上。这消除了对年龄敏感的有机环氧树脂，并有助于最大限度地提高稳定性并延长使用寿命。该技术还有助于确保即使在低应变下也具有高灵敏度，以及卓越的分辨率和高超范围能力，而无需机械停止。 FC22的设计消除了与其他微型力传感器相关的疲劳机制，例如使用压力传感器的传感器。还内置了热补偿，消除了零点和量程中与温度相关的变化。

结论

应变计和称重传感器各自利用导体电性能的变化或施加力时的半导体，以测量机械负载。所有这些都是必须精心设计的精密仪器，以确保满意的性能。为了达到所需的精度，可靠性和使用寿命不仅对选择最佳组件很重要，而且对于定位，定位和固定以及电气连接也很重要。与往常一样，更好的理解会带来更好的结果。